電站鍋爐頂棚管泄漏的分析與處理

安婭琳 孔妍 呂凱

摘? 要：某電站鍋爐投入運行后頻繁發生頂棚管泄漏事故，根據泄漏情況和發生頻率，有針對性地對泄漏部位進行割管并作宏觀檢測，通過對管子爆口附近金屬材料進行金相檢驗并對日常運行數據、設備運行特點、水質化驗記錄和鍋爐結構等各方面因素加以分析，查找出了事故的主要形成原因，確定了易發生頂棚管爆管的位置，有針對性地提出了相應的解決方案，并對方案實施后的效果進行監測。

關鍵詞：頂棚管;泄漏;結構因素

中圖分類號：TK229? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 概述

某電站鍋爐投用后，爐內靠近兩側墻的第1、2根頂棚管頻繁發生爆管，爆管發生在頂棚管中段。使用單位將泄漏的水冷壁管段進行了更換，將向火面用5 mm耐磨耐火澆注料進行了保護，希望通過絕熱的方式降低壁溫，延長其使用壽命。但是運行不到1年，該頂棚管再次發生了爆管。

該電站鍋爐為自然循環、單鍋筒循環流化床鍋爐，設計額定蒸發量為220 t/h，額定蒸汽壓力9.8 MPa，額定蒸汽溫度540 ℃。鍋爐稀相區為方形設計，燃料為煤+煤泥，可以摻燒煤泥比例近50%，具有較大的負荷比，可以在30%的負荷下，不投油穩燃。鍋爐采用了水冷布風板，其循環回路有2個部分。1）兩側墻水冷壁有各自獨立的上下集箱，水經集中下降管和分配管進入下集箱，經側墻水冷壁進入上集箱，再有汽水引出管將汽水混合物引至鍋筒。2）前后墻水冷壁共用一個上集箱，水經集中下降管和分配管進入前水下集箱，有一部分水經前墻水冷壁進入上集箱，另一部分水經水冷布風板的管子進入后水下集箱，然后經后墻水冷壁、頂棚管也引至上集箱，再有汽水引出管將汽水混合物引至鍋筒。頂棚管是后墻水冷壁管的延伸部分。水冷壁管規格為Φ60mm×6mm，材質為20 G。

1 原因分析

1.1 檢驗情況

為了分析爆管原因，對爆管及爆破口附近管子進行了檢驗，并進行了割管檢查。現場檢查發現，爆破口開口較小，邊緣不規則，附近管壁經測量無明顯減薄和脹粗，爆破口區域有垂直于管子軸的橫向裂紋，不符合長期超溫爆管和短期超溫爆管的特征。割管后，將爆破口附近的管子沿縱向剖開，發現內壁存在大量橫向裂紋，裂紋縫隙內壁較大，在向外壁發展的過程中，逐漸變細至消失。明顯可以看出，裂紋是先在內壁產生再向外不斷發展的。管子內外壁未見明顯腐蝕跡象，內壁也未見水垢及其他腐蝕產物，除裂紋外，無其他異常情況，如圖1所示。

金相檢測中所發現的裂紋區域管子的微觀形貌表明，裂紋具有穿晶特征，尾端較尖銳，內部有腐蝕產物，如圖2（a）所示。裂紋附近區域金相組織為鐵素體和珠光體，晶粒內部有斷續網狀類似晶界的組織，如圖2（b）所示。爆管的管子內壁遠離裂紋區域的管段金相組織為鐵素體和珠光體，珠光體區域完整，根據《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》DL/T674—1999，組織球化評級為2級。可以看出，其裂紋的的形貌具有熱疲勞裂紋的特征，裂紋附近金相組織雖然具有超溫導致組織變化的形貌特征，但是管子的泄漏的主要原因并不是因為超溫，主要還是因為熱疲勞形成了裂紋，隨裂紋的擴展造成管子承壓能力下降，從而導致爆管泄漏。

1.2 使用情況

查看水質化驗記錄，和取樣分析對照，確認給水和爐水的水質均符合GB/T 12145—2008《火力發電機組及蒸汽動力設備水汽質量》標準要求。爆管內壁無裂紋管段的割管檢查也表明，水冷壁內壁無明顯結垢和腐蝕現象。查看運行記錄，發現該鍋爐，大多數情況下，運行負荷較低。低負荷運行時，鍋爐會出現爐內傳熱不均，造成受熱面管子出現較大的熱負荷偏差，導致水循環故障。

由于該電站鍋爐主要是摻燒煤泥，因為灰量較多，導致爐內上部灰顆粒濃度較高，循環流化床鍋爐水冷壁的換熱主要是輻射換熱和對流換熱，而物料濃度對輻射換熱和對流換熱均影響較大，因此摻燒煤泥的鍋爐，其上部的換熱量高于傳統循環流化床鍋爐。這也使得頂棚管受熱較強。

1.3 結構因素

根據鍋爐循環回路特點，發現前墻水冷壁循環流量要大于后墻水冷壁。在下降管從前水下集箱供水的情況下，頂棚管由于進出口高度差小，布風板水管無高度差，在后墻水冷壁的整個循環回路中，增加阻力較多，幾乎不提供循環動力，循環動力主要還是后墻水冷壁垂直段和下降管之間的液體密度差，因此前墻水冷壁的水循環量阻力明顯小于后墻水冷壁，循環動力相差不大，從而前墻水冷壁會發生搶水現象，對后墻水冷壁的循環造成不良影響。而對布風板水管、后墻水冷壁下集箱、后墻水冷壁管的結構進行分析，發現布風板水管為45根Φ83×8的管子，后墻水冷壁為96根。布風板中間區域水管，每根管子與后水冷壁集箱連接的位置都對應2根后墻水冷壁管，但左、右側第1根布風板水管進入的位置，每根對應3根后墻水冷壁管。這樣在角部的后墻水冷壁管就容易出現供水不足的現象。

從傳熱上看，后墻水冷壁2個角部的管子本身受爐膛輻射熱較弱，為避免磨損（循環流化床鍋爐角部磨損通常較嚴重），又采用了澆注料覆蓋的方式，進一步降低了傳熱，而從結構上，后墻水冷壁2個角部的管子循環流速最低、最容易造成水循環故障。

從布置情況看，在循環流速較低的情況下，傾斜的頂棚管內易出現汽水分層和蒸汽聚集，造成局部汽塞。這些都增大了流動阻力，使管子的冷卻進一步惡化，在某個區域內出現蒸汽管段，造成傳熱惡化，使該管段壁溫較高。當蒸汽在水管內積聚到一定量時，上升管壓頭會變小（也存在頂棚管蒸汽由于過熱和鍋筒飽和水混合后，體積瞬間減少，導致壓頭下降的可能），穩定狀態被破壞，蒸汽進入鍋筒空間，頂棚管內蒸汽減少，原本通過蒸汽冷卻壁溫較高的管子，重新被水冷卻，使管子向火面出現較大的溫差應力;當水再次加熱產生較多蒸汽時，上升管壓頭又會逐漸變大，流速再次下降，頂棚管內再次出現蒸汽積聚的現象，如此周而復始，最終因局部區域金屬壁溫發生周期性波動，在管子中產生交變熱應力，導致熱疲勞破壞。

1.4 原因分析

從上述分析看，爆管的頂棚管是由于水循環流速較低，局部產生蒸汽，導致傳熱惡化，使管壁溫度發生周期性劇烈波動，產生交變應力，造成頂棚管熱疲勞破壞。局部的結構不合理和低負荷運行是造成局部水循環流速過低的主要因素，而煤泥的摻燒強化了上部水管的換熱，加劇了這一現象的發生。

2 處理措施

為了減少兩側后墻水冷壁管的流動阻力，減少其他水管搶水的現象，將兩側最外部的一根布風板水管進行加粗，由Φ83mm×8mm的管子更換為Φ89mm×8mm的管子，與前后墻下集箱的連接采用100 mm長的Φ89mm×8mm變Φ83mm×8mm的大小頭進行了過渡;對頂棚管2側左右各3根進行了管段更換;同時為了減少受熱不均，盡量避免鍋爐低負荷運行，減少爐內熱偏差。對角部的澆注料，考慮磨損因素，未進行去除。在考慮了角部澆注料對吸熱的影響后，水動力計算表明，改造后能滿足要求。改造后至今已運行3年多，未再出現裂紋泄漏現象。

參考文獻

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